Электрический изолятор – это материал, в котором электрический ток не течет свободно. Атомы изолятора имеют прочно связанные электроны, которые не могут легко двигаться. Другие материалы — полупроводники и проводники — легче проводят электрический ток. Свойством, которое отличает изолятор, является его удельное сопротивление ; изоляторы имеют более высокое удельное сопротивление, чем полупроводники или проводники. Наиболее распространенными примерами являются неметаллы .
Идеальных изоляторов не существует, поскольку даже изоляторы содержат небольшое количество подвижных зарядов ( носителей заряда ), которые могут проводить ток. Кроме того, все изоляторы становятся электропроводящими при приложении достаточно большого напряжения, при котором электрическое поле отрывает электроны от атомов. Это явление известно как электрический пробой , а напряжение, при котором он происходит, называется напряжением пробоя изолятора. Некоторые материалы, такие как стекло , бумага и ПТФЭ , имеющие высокое удельное сопротивление , являются очень хорошими электрическими изоляторами. Гораздо более широкий класс материалов, даже несмотря на то, что они могут иметь более низкое объемное удельное сопротивление, по-прежнему достаточно хороши, чтобы предотвратить протекание значительного тока при обычно используемых напряжениях, и поэтому используются в качестве изоляции для электропроводки и кабелей . Примеры включают резиноподобные полимеры и большинство пластмасс , которые по своей природе могут быть термореактивными или термопластичными .
Изоляторы используются в электрооборудовании для поддержки и разделения электрических проводников , не пропуская ток через себя. Изоляционный материал, используемый в больших количествах для обертывания электрических кабелей или другого оборудования, называется изоляцией . Термин «изолятор» также используется более конкретно для обозначения изолирующих опор, используемых для крепления линий распределения или передачи электроэнергии к опорам и опорам электропередачи . Они выдерживают вес подвешенных проводов, не позволяя току течь через башню на землю.
Электроизоляция – это отсутствие электропроводности . Теория электронных зон (раздел физики) объясняет, что электрический заряд течет, когда доступны квантовые состояния материи, в которые могут быть возбуждены электроны. Это позволяет электронам набирать энергию и тем самым перемещаться через проводник, например металл , если к материалу приложена разность электрических потенциалов. Если таких состояний нет, материал является изолятором.
Большинство изоляторов имеют большую запрещенную зону . Это происходит потому, что «валентная» зона, содержащая электроны с наивысшей энергией, заполнена, и большая энергетическая щель отделяет эту зону от следующей зоны над ней. Всегда существует некоторое напряжение (называемое напряжением пробоя ), которое дает электронам достаточно энергии для возбуждения в этой зоне. При превышении этого напряжения происходит электрический пробой, и материал перестает быть изолятором, пропуская заряд. Обычно это сопровождается физическими или химическими изменениями, которые необратимо ухудшают материал и его изоляционные свойства.
Когда электрическое поле, приложенное к изолирующему веществу, в любом месте превышает пороговое поле пробоя для этого вещества, изолятор внезапно становится проводником, вызывая значительное увеличение тока и возникновение электрической дуги в веществе. Электрический пробой происходит, когда электрическое поле в материале достаточно сильное, чтобы ускорять свободные носители заряда (электроны и ионы, которые всегда присутствуют в низких концентрациях) до достаточно высокой скорости, чтобы выбивать электроны из атомов, когда они ударяются о них, ионизируя атомы. Эти освобожденные электроны и ионы, в свою очередь, ускоряются и ударяются о другие атомы, создавая больше носителей заряда в ходе цепной реакции . Изолятор быстро заполняется подвижными носителями заряда, и его сопротивление падает до низкого уровня. В твердом теле напряжение пробоя пропорционально энергии запрещенной зоны . При возникновении коронного разряда воздух в области вокруг высоковольтного проводника может пробиться и ионизироваться без катастрофического увеличения тока. Однако, если область пробоя воздуха распространяется на другой проводник с другим напряжением, между ними создается проводящий путь, и через воздух течет большой ток, создавая электрическую дугу . Даже в вакууме может возникнуть своего рода пробой, но в этом случае пробой или вакуумная дуга включает в себя заряды, выбрасываемые с поверхности металлических электродов, а не создаваемые самим вакуумом.
Кроме того, все изоляторы становятся проводниками при очень высоких температурах, поскольку тепловой энергии валентных электронов достаточно, чтобы поместить их в зону проводимости. [1] [2]
В некоторых конденсаторах замыкания между электродами, образующиеся вследствие пробоя диэлектрика, могут исчезнуть при уменьшении приложенного электрического поля. [3] [4] [5] [ актуально? ]
Гибкое покрытие изолятора часто наносят на электрические провода и кабели; эта сборка называется изолированным проводом . Иногда в проводах не используется изоляционное покрытие, а только воздух, тогда как твердое (например, пластиковое) покрытие может оказаться непрактичным. Провода, которые соприкасаются друг с другом, приводят к перекрестным соединениям, коротким замыканиям и опасности возгорания. В коаксиальном кабеле центральный проводник должен опираться точно посередине полого экрана, чтобы предотвратить отражение электромагнитных волн. Провода, находящиеся под высоким напряжением, могут стать причиной поражения человека электрическим током .
Большинство изолированных проводов и кабелей имеют максимальные номиналы по напряжению и температуре проводника. Изделие может не иметь номинальной токовой нагрузки (токовой нагрузки), поскольку она зависит от окружающей среды (например, температуры окружающей среды).
В электронных системах печатные платы изготавливаются из эпоксидного пластика и стекловолокна. Непроводящие платы поддерживают слои проводников из медной фольги. В электронных устройствах крошечные и хрупкие активные компоненты встроены в непроводящие эпоксидные или фенольные пластики, а также в запеченное стекло или керамические покрытия.
В микроэлектронных компонентах , таких как транзисторы и микросхемы , кремниевый материал обычно является проводником из-за легирования, но его можно легко избирательно превратить в хороший изолятор путем применения тепла и кислорода. Окисленный кремний — это кварц , то есть диоксид кремния , основной компонент стекла.
В системах высокого напряжения , содержащих трансформаторы и конденсаторы , жидкое изоляционное масло является типичным методом предотвращения дуги. Масло заменяет воздух в помещениях, которые должны выдерживать значительное напряжение без электрического пробоя . Другие изоляционные материалы для систем высокого напряжения включают керамические или стеклянные держатели проводов, газ, вакуум и просто размещение проводов на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы использовать воздух в качестве изоляции.
Важнейшим изоляционным материалом является воздух. В электрооборудовании также используются различные твердые, жидкие и газообразные изоляторы. В небольших трансформаторах , генераторах и электродвигателях изоляция катушек проводов состоит из четырех тонких слоев пленки полимерного лака. Магнитный провод с пленочной изоляцией позволяет производителю получить максимальное количество витков в доступном пространстве. Обмотки, в которых используются более толстые проводники, часто оборачиваются дополнительной изоляционной лентой из стекловолокна . Обмотки также могут быть пропитаны изолирующими лаками для предотвращения электрического коронирования и уменьшения магнитно-индуцированной вибрации проводов. Обмотки больших силовых трансформаторов по-прежнему в основном изолируются бумагой , деревом, лаком и минеральным маслом ; хотя эти материалы используются уже более 100 лет, они по-прежнему обеспечивают хороший баланс экономичности и адекватных характеристик. Шины и автоматические выключатели в распределительных устройствах могут быть изолированы изоляцией из стеклопластика, обработанной для уменьшения распространения пламени и предотвращения прохождения тока по материалу.
В старых аппаратах, выпущенных до начала 1970-х годов, можно встретить плиты из прессованного асбеста ; хотя это адекватный изолятор на энергетических частотах, обращение с асбестовым материалом или его ремонт могут привести к выбросу опасных волокон в воздух, и его следует выполнять осторожно. Провод, изолированный войлочным асбестом, использовался в высокотемпературных и суровых условиях с 1920-х годов. Проволока этого типа продавалась компанией General Electric под торговой маркой «Дельтабестон». [6]
Распределительные щиты под напряжением вплоть до начала ХХ века изготавливались из сланца или мрамора. Некоторое высоковольтное оборудование предназначено для работы в среде изолирующего газа высокого давления , такого как гексафторид серы . Изоляционные материалы, которые хорошо работают на мощности и низких частотах, могут быть неудовлетворительными на радиочастотах из-за нагревания из-за чрезмерного диэлектрического рассеяния.
Электрические провода могут быть изолированы полиэтиленом , сшитым полиэтиленом ( электронно-лучевой обработкой или химическим сшиванием), ПВХ , каптоном , резиноподобными полимерами, бумагой, пропитанной маслом, тефлоном , силиконом или модифицированным этилен-тетрафторэтиленом ( ETFE ). В силовых кабелях большего размера в зависимости от применения может использоваться прессованный неорганический порошок .
Гибкие изоляционные материалы, такие как ПВХ (поливинилхлорид), используются для изоляции цепи и предотвращения контакта человека с «живым» проводом, имеющим напряжение 600 В или меньше. Альтернативные материалы, вероятно, будут использоваться все чаще из-за того, что законодательство ЕС по безопасности и охране окружающей среды делает ПВХ менее экономичным.
В электрооборудовании, таком как двигатели, генераторы и трансформаторы, используются различные системы изоляции , классифицированные по максимальной рекомендуемой рабочей температуре для достижения приемлемого срока службы. Материалы варьируются от улучшенных сортов бумаги до неорганических соединений.
Все портативные или ручные электрические устройства изолированы, чтобы защитить пользователя от вредного поражения электрическим током.
Изоляция класса I требует, чтобы металлический корпус и другие открытые металлические части устройства были подключены к земле через заземляющий провод , который заземлен на главной сервисной панели, но требуется только базовая изоляция проводников. Для этого оборудования требуется дополнительный контакт на вилке питания для заземления.
Изоляция класса II означает, что устройство имеет двойную изоляцию . Это используется в некоторых приборах, таких как электробритвы, фены и портативные электроинструменты. Двойная изоляция требует, чтобы устройства имели как основную, так и дополнительную изоляцию, каждая из которых достаточна для предотвращения поражения электрическим током . Все внутренние компоненты, находящиеся под напряжением, полностью заключены в изолированный корпус, который предотвращает любой контакт с «находящимися под напряжением» частями. В ЕС все приборы с двойной изоляцией маркируются символом в виде двух квадратов, один внутри другого. [7]
Провода воздушной передачи высоковольтной электроэнергии выполнены оголенными и изолированы от окружающего воздуха. Проводники для более низких напряжений в распределительных сетях могут иметь некоторую изоляцию, но часто также являются голыми. Изолирующие опоры необходимы в тех точках, где они опираются на опоры или опоры электропередач . Изоляторы также необходимы там, где провод входит в здания или электрические устройства, такие как трансформаторы или автоматические выключатели , для изоляции от корпуса. Зачастую это втулки , представляющие собой полые изоляторы с проводником внутри.
Изоляторы, используемые для передачи энергии высокого напряжения, изготавливаются из стекла , фарфора или композиционных полимерных материалов . Фарфоровые изоляторы изготавливаются из глины , кварца или глинозема и полевого шпата и покрываются гладкой глазурью для отвода воды. Изоляторы из фарфора, богатого глиноземом, используются там, где критерием является высокая механическая прочность. Фарфор имеет электрическую прочность около 4–10 кВ/мм. [8] Стекло обладает более высокой диэлектрической прочностью, но оно притягивает конденсат, а толстые изделия неправильной формы, необходимые для изоляторов, трудно отлить без внутренних напряжений. [9] Некоторые производители изоляторов прекратили производство стеклянных изоляторов в конце 1960-х годов, перейдя на керамические материалы.
Некоторые электроэнергетические предприятия используют в качестве изоляторов полимерные композиционные материалы. Обычно они состоят из центрального стержня, изготовленного из армированного волокном пластика , и внешнего кожуха из силиконовой резины или этиленпропилендиенмономерного каучука ( EPDM ). Композитные изоляторы дешевле, легче по весу и обладают отличными гидрофобными свойствами. Такое сочетание делает их идеальными для эксплуатации в загрязненных зонах. [10] Однако эти материалы еще не имеют такого долгосрочного доказанного срока службы, как стекло и фарфор.
Электрический пробой изолятора из-за чрезмерного напряжения может произойти одним из двух способов:
Большинство изоляторов высокого напряжения рассчитаны на более низкое напряжение пробоя, чем напряжение пробоя, поэтому они перегорают перед пробоем, чтобы избежать повреждений.
Грязь, загрязнения, соль и особенно вода на поверхности изолятора высокого напряжения могут создать токопроводящий путь через него, вызывая токи утечки и разряды. Напряжение пробоя может быть снижено более чем на 50%, если изолятор влажный. Изоляторы высокого напряжения для использования вне помещений имеют такую форму, чтобы максимизировать длину пути утечки вдоль поверхности от одного конца к другому, называемую длиной пути утечки, чтобы минимизировать эти токи утечки. [11] Для этого поверхность формуется в виде ряда гофров или концентрических дисков. Обычно они включают в себя один или несколько навесов ; обращенные вниз чашеобразные поверхности, которые действуют как зонтики, гарантируя, что часть пути утечки на поверхности под «чашкой» останется сухой во влажную погоду. Минимальные пути утечки составляют 20–25 мм/кВ, но их необходимо увеличить в районах с высоким уровнем загрязнения или наличием морской соли в воздухе.
Изоляторы характеризуются несколькими общими классами:
Изолятор, защищающий третью шину нижнего контакта по всей длине .
Изоляторы штыревого типа не подходят для линейного напряжения выше 69 кВ. В линиях электропередачи более высокого напряжения обычно используются модульные конструкции подвесных изоляторов. Провода подвешены на «веревке» одинаковых изоляторов в форме дисков, которые крепятся друг к другу с помощью металлического штифта с головкой или шаровых соединений. Преимущество этой конструкции заключается в том, что цепочки изоляторов с разными напряжениями пробоя для использования с разными линейными напряжениями могут быть построены с использованием различного количества основных блоков. Струнные изоляторы могут быть изготовлены для любого практического напряжения передачи путем добавления к струне изоляционных элементов. [14] Кроме того, если один из изоляционных блоков в цепочке сломается, его можно заменить, не выбрасывая всю цепочку.
Каждый блок состоит из керамического или стеклянного диска с металлической крышкой и штифтом, приклеенным к противоположным сторонам. Чтобы сделать дефектные изделия очевидными, стеклопакеты сконструированы таким образом, что перенапряжение вызывает пробой дуги через стекло, а не вспышку. Стекло подвергается термической обработке, поэтому оно разбивается, делая видимым поврежденный элемент. Однако механическая прочность устройства не изменилась, поэтому изоляционная цепочка остается целой.
Стандартные подвесные дисковые изоляторы имеют диаметр 25 см (9,8 дюйма) и длину 15 см (6 дюймов), могут выдерживать нагрузку 80–120 килоньютонов (18 000–27 000 фунтов силы ), имеют напряжение сухого пробоя около 72 кВ. и рассчитаны на рабочее напряжение 10–12 кВ. [15] Однако напряжение пробоя струны меньше, чем сумма составляющих ее дисков, поскольку электрическое поле не распределяется равномерно по струне, а является самым сильным на диске, ближайшем к проводнику, который вспыхивает первым. Металлические регулировочные кольца иногда добавляются вокруг диска на стороне высокого напряжения, чтобы уменьшить электрическое поле на этом диске и улучшить напряжение пробоя.
В линиях очень высокого напряжения изолятор может быть окружен коронирующими кольцами . [16] Обычно они состоят из торов алюминиевых (чаще всего) или медных трубок, прикрепленных к линии. Они предназначены для уменьшения электрического поля в месте крепления изолятора к линии, предотвращения коронного разряда , приводящего к потерям мощности.
Первыми электрическими системами, в которых использовались изоляторы, были телеграфные линии ; Было обнаружено, что прямое крепление проводов к деревянным столбам дает очень плохие результаты, особенно во влажную погоду.
Первые стеклянные изоляторы, использовавшиеся в больших количествах, имели точечное отверстие без резьбы. Эти кусочки стекла располагались на коническом деревянном штыре, вертикально идущем вверх от поперечины столба (обычно только два изолятора на столбе и, возможно, один на вершине самого столба). Естественное сжатие и расширение проводов, привязанных к этим «безрезьбовым изоляторам», привело к тому, что изоляторы оторвались от штырей, что потребовало повторной установки вручную.
Среди первых, кто начал производить керамические изоляторы, были компании в Соединенном Королевстве: Stiff и Doulton использовали керамогранит с середины 1840-х годов, Джозеф Борн (позже переименованный в Denby ) производил их примерно с 1860 года, а Bullers - с 1868 года. Патент на полезную модель № 48 906 был выдан компании Луи А. Кове 25 июля 1865 года за процесс производства изоляторов с точечным отверстием с резьбой: изоляторы штыревого типа до сих пор имеют точечные отверстия с резьбой.
Изобретение подвесных изоляторов сделало возможной передачу энергии высокого напряжения. Когда напряжение в линии электропередачи достигло и превысило 60 000 вольт, необходимые изоляторы стали очень большими и тяжелыми, а изоляторы, рассчитанные на запас прочности в 88 000 вольт, были практически пределом для производства и установки. Подвесные изоляторы, с другой стороны, могут быть соединены в цепочки такой длины, которая соответствует напряжению линии.
Изготовлено большое разнообразие телефонных, телеграфных и силовых изоляторов; некоторые люди коллекционируют их как из-за исторического интереса, так и из-за эстетического качества многих конструкций и отделок изоляторов. Одной из организаций коллекционеров является Национальная ассоциация изоляторов США, которая насчитывает более 9000 членов. [17]
Часто радиовещательная радиоантенна строится в виде мачтового излучателя , а это значит, что вся мачтовая конструкция находится под высоким напряжением и должна быть изолирована от земли. Используются стеатитовые крепления. Они должны выдерживать не только напряжение излучателя мачты относительно земли, которое у некоторых антенн может достигать значений до 400 кВ, но также вес конструкции мачты и динамические силы. Необходимы дугогасительные звуковые сигналы и молниеотводы , поскольку удары молнии в мачту являются обычным явлением.
Растяжки , поддерживающие антенные мачты, обычно имеют натяжные изоляторы, вставленные в кабельную трассу, чтобы предотвратить короткое замыкание высокого напряжения на антенне на землю или создание опасности поражения электрическим током. Часто оттяжки имеют несколько изоляторов, расположенных так, чтобы разделить кабель на отрезки и предотвратить нежелательные электрические резонансы в оттяжке. Эти изоляторы обычно керамические, цилиндрические или яйцевидные (см. рисунок). Преимущество этой конструкции заключается в том, что керамика испытывает сжатие, а не растяжение, поэтому она может выдерживать большую нагрузку, и что даже если изолятор сломается, концы кабеля все равно будут соединены.
Эти изоляторы также должны быть оборудованы средствами защиты от перенапряжения. При определении размеров изоляции оттяжек необходимо учитывать статические нагрузки на оттяжки. Для высоких мачт они могут быть намного выше, чем напряжение, создаваемое передатчиком, что требует разделения оттяжек изоляторами на несколько секций на самых высоких мачтах. В этом случае лучшим выбором будут оттяжки, заземленные на анкерных основаниях через катушку или, если возможно, напрямую.
Питающие линии крепления антенн к радиоаппаратуре, особенно двухпроводного типа, часто приходится располагать на расстоянии от металлических конструкций. Изолированные опоры, используемые для этой цели, называются опорными изоляторами .
Композитные изоляторы выдерживают ветер и дождь и обладают хорошими характеристиками самоочищения при ветре и дожде, поэтому проверку на загрязнение необходимо проводить только раз в 4–5 лет, а на ремонт и отключение электроэнергии требуется меньше времени.
